百科 | 为什么说可变截面涡轮膨胀机是下一代燃料电池空压机发展方向

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涡轮膨胀机是下一代更高效率燃料电池系统开发的重要发展方向。其中，可变截面涡轮膨胀机因适应系统的宽工况区间，几乎成为大功率燃料电池系统提升效率的常用手段。那么，什么是可变截面涡轮膨胀机呢？ 图1 现代Nexo燃料电池汽车稳态电堆和BOP功耗 在燃料电池系统中，空气压缩机堪称电堆的“肺”，为其供气增压。随着电堆入口空气压力的增加，电堆性能逐渐提升，水管理能力也随之提高。目前，空压机是系统BOP中占用电堆寄生功耗最大的零部件，其功耗占电堆输出功率约10%~20%，占燃料电池系统附件功耗80%左右。以现代Nexo燃料电池汽车为例，在电堆峰值输出近95 kW功率下电动压缩机的功率超过9 kW。空压机的功耗严重影响着燃料电池系统的效率。 图2 传统燃料电池系统空气供应系统原理 电堆入口空气中近80%组分为N2，其余为O2。因此，在燃料电池工作过程中，电堆阴极出口气体仍有较大的流量和压力，具备动能和静压。因此，利用电堆阴极排气使与空压机同轴机械连接的膨胀机的涡轮转动，从而可以减少驱动空压机旋转电机的负荷，由此减少了空压机功耗，如下图3所示。 图3 燃料电池系统空气供应系统(带膨胀机)原理 由于电堆阴极排气常含水蒸气和液态水，水分对叶轮可能产生冲蚀损伤。此外，在膨胀机涡轮处如果发生水蒸气冷凝和液态水集聚，低温环境将发生冻结损伤，影响可靠性。因此，在实际带涡轮膨胀机的燃料电池系统中，电堆出口一般通过加装分水器使水气分离，尤其在阴极有外部加湿器的系统上。 图4 燃料电池带涡轮膨胀机空压机工作原理 如上文所述，膨胀机的作用是其涡轮受电堆阴极出口的废气驱动，带动同轴的空压机为电堆的阴极入口气体加压，降低空压机的电机功耗。因此，膨胀机回收能量的效率受电堆出口废气量的严重影响，而废气量则随着电堆和燃料电池系统的负载而变化。当燃料电池系统工作在怠速工况(如0.1 A/cm2)，电堆阴极出口废气量较小；当工作在额定功率(如2.2 A/cm2)，电堆阴极出口废气量较大。 图5 燃料电池可变截面涡轮膨胀机涡流如果使用固定截面的涡轮膨胀机，满足燃料电池堆在大功率下阴极排气量较大的工况，但当燃料电池工作在低功率工况时，阴极排气量较小，并不足以带动膨胀机的涡轮运转。此时，需要等燃料电池功率提高之后，废气动能较大，涡轮才能启动。这个时间差在传统内燃机上称之为“涡轮迟滞”。同时，如果膨胀机使用小尺寸或者涡流截面积小的涡轮，虽然在低功率下涡轮能达到最佳工作转速，但在大功率下，电堆阴出口排气量较大，由于膨胀机内涡轮排气截面较小，使得排气阻力增加，产生排气回压，适得其反。 图6 膨胀机小截面积导致电堆出口大气量下排气阻力增加 为了使涡轮膨胀机在燃料电池系统高低载荷下都能良好工作，借助传统内燃机上的技术，可变截面涡轮膨胀机(VNT，或VGT)技术应运而生。可变截面涡轮技术的本质是针对燃料电池工况通过调节气道截面积实现废气利用的最大化。广义上的可变截面涡轮技术包括在排气管和涡轮入口间的可变吼口方法、进气通道加舌形可调挡板、涡轮周围增加导流叶片方法等。目前，基于导流叶片的可变截面涡轮膨胀机技术正成为大功率燃料电池系统的空压机发展方向。 图7 可变截面涡轮膨胀机原理 如下图8左所示，当怠速功率下电堆阴极出口气量小，此时电控系统通过连杆机构使导流叶片之间的间距变小，膨胀机的流通截面则变小，电堆出口排气压力变大，涡轮转速上升。当额定功率下电堆阴极出口气量大，此时控制导流叶片之间的间距变大，膨胀机的流通截面则变大，排气压力减小，大流量气体推动涡轮，可避免超速过载。 图8 基于导流叶片的可变截面涡轮技术 可变截面涡轮技术中的截面，实际为涡轮增压指标A/R中的A，如下图9所示，其中A为排气入口最窄横截面积，R为涡轮轴中心到横截面积中心点的距离。A/R值越小，表明气体通过涡轮的流速高，排气压力高，有效减缓涡轮迟滞，而大功率时则会产生较大的排气背压。当A/R值越大，涡轮的响应速度慢，但在大功率时，拥有较小的排气背压，能够更好的利用排气能量。因此，可变截面涡轮技术中的可变截面就是改变A值。 图9 涡轮A/R值

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